Smart piezoelectric phononic crystals and metamaterials:State-of-the-art review and outlook

Abstract

机械振动的有效控制与弹性波的精准调控多年来一直是力学工作者和工程界十分关注与高度重视的研究领域。近年来，随着高端装备、精密仪器、在线监测、以及孵能技术的迅猛发展，人们对该研究领域提出了诸多新颖的研究课题、赋予更高的期望。声子晶体与超构材料作为一种人工设计的新型复合材料，具有许多独特和超常的弹性波传播特性，为上述研究领域提供了一个崭新的研究途径与良好的应用前景。然而传统的声子晶体与超构材料在加工制备之后不易根据实际需求重新调整其几何参数和材料属性，这大大限制了声子晶体和超构材料的实际应用。压电材料隶属智能或机敏材料，具有力-电耦合效应，能够将机械能和电能进行相互转换。因此，将压电材料与声子晶体/超构材料有机的融为一体，即可形成智能压电声子晶体与超构材料。通过调节电场可以调控结构的振动或波动特性，实现预期的目标。这大大拓宽了传统声子晶体与超构材料的应用范围。本文首先依据压电材料与弹性材料或结构不同的融合形式，对智能压电声子晶体与超构材料进行了分类。在此基础上，依据声子晶体/超构材料的周期维度，对不同维度、不同形式的智能压电声子晶体/超构材料的研究现状及其应用进行了阐述，主要内容涉及到力-电耦合效应和外接电路的影响、带隙调控、弹性波导、单向传输、弹性波拓扑绝缘体、时空调制、弹性波隐身、弹性波聚焦等等。最后，对该领域未来研究工作的需求与期待进行了展望。